F1-techniek: Het 'triple DRS'-effect van Red Bull Racing uitgelegd

De Red Bull RB19 is dit seizoen een raket in op de rechte stukken. De concurrenten zijn 'sitting ducks', zoals Lewis Hamilton dit jaar ontdekte tijdens de Grand Prix van Saoedi-Arabië en Australië.

Telemetrie toonde een snelheidsvoordeel van 35 km/u tijdens de Grand Prix van Saoedi-Arabië, vergeleken met de traditionele 20 km/u. Zoals Lewis Hamilton het uitdrukte: "Ik weet niet waarom of hoe, maar hij kwam me met serieuze snelheid voorbij." Dit ligt niet alleen aan de motorprestaties, in tegenstelling tot Mercedes in het turbohybride tijdperk van 2014-2021. Red Bulls snelheid in een rechte lijn heeft veel te maken met hun aerodynamische filosofie en hoe die hen in staat heeft gesteld om een zeer hoge aerodynamische efficiëntie te bereiken. De laatste tijd wordt er gesproken over het 'triple DRS'-effect dat Red Bull Racing hanteert en GPFans duikt de techniek in om te onderzoeken hoe dit werkt.

Aerodynamica, DRS en beamwing

De achterste helft van de auto - in dit geval gaat het vooral om de achtervleugel, de beamwing en de diffuser - werkt samen om downforce te genereren. Ze zijn niet van elkaar afhankelijk, maar vullen elkaar aan. Zo zorgt de beamwing bijvoorbeeld voor meer verticale expansie van de diffuser, zonder dat de diffuser (die zelf beperkt is door de regelgeving) groter wordt door zijn upwashing eigenschappen. Beide onderdelen kunnen echter perfect samenwerken.

De achterste helft van de auto, waartoe ook de achterbanden behoren, draagt het hoogste percentage bij aan de totale hoeveelheid luchtweerstand die door de auto wordt gegenereerd. Met andere woorden, als je je auto efficiënt wilt maken, kun je hier de meeste winst boeken. Daarom komen teams met een achtervleugel en een beamwing-pakket aan op circuits waar de gevoeligheid van snelheid erg hoog is, zoals in Saoedi-Arabië of bijvoorbeeld op Monza.

In het achterste deel van de auto zijn de achterwielen, de achtervleugel en de beamwing de grootste veroorzakers van luchtweerstand. De weerstand van de achterwielen wordt geclassificeerd als drukweerstand (het verschil in druk tussen het voorste en het achterste oppervlak van de banden), terwijl de achtervleugel en de beamwing meestal verantwoordelijk zijn voor geïnduceerde weerstand (d.w.z. weerstand die wordt veroorzaakt door de downforce zelf). De bodem is het meest efficiënte deel van de auto, dus hier valt niet veel te winnen op het gebied van het reduceren van de 'drag'.

Vanuit de aerodynamica lijkt de enige mogelijke manier om de beamwing samen te laten werken met de DRS het gebruik is van een gekrompen versie van een beamwing met één element, zoals bij Red Bull in Saoedi-Arabië. We hebben twee simulaties - één met DRS aan en één met DRS uit. De genoemde simulatie is niet perfect, het is een poging om potentiële aerodynamische mechanismen bloot te leggen.

Hoe verandert de DRS-klep open en dicht het stromingsveld bij de achtervleugel?

Wanneer de DRS is ingeschakeld, d.w.z. de achtervleugelklep gaat open, zijn er twee effecten. Ten eerste produceert de achtervleugelklep heel weinig downforce en vult hij het hoofdvlak van de achtervleugel niet meer aan bij het genereren van downforce. Deze vermindering van de downforce resulteert in een vermindering van de geïnduceerde weerstand.

Ten tweede, omdat de flap zich opent, vermindert de drukweerstand - d.w.z. de fysieke weerstand als gevolg van de flap zelf - als gevolg van zijn oppervlakte. Deze beide effecten resulteren in een vermindering van de luchtweerstand met bijna 30 procent vergeleken met de door de achtervleugel veroorzaakte luchtweerstand, en een vermindering van de luchtweerstand van de gehele auto met ongeveer 15 procent (andere effecten meegerekend).

Wat duidelijk blijkt uit de simulaties is dat een efficiënt hoofdvlak van de achtervleugel niet rechtstreeks kan worden afgestopt met behulp van de DRS, omdat het activeren van de DRS alleen de belasting van het hoofdvlak van de achtervleugel vermindert, wat de stroming nog meer zou versterken. De vermindering van de weerstand komt dus van de geïnduceerde weerstand, d.w.z. door de verminderde downforce. In de afbeelding hieronder is de verandering van upwash te zien, met ingeschakelde en uitgeschakelde DRS.

Hoe verandert de DRS-klep open en dicht het stromingsveld naar de beamwing?

Om dit te begrijpen is enige kennis van aerodynamica nodig, maar de simpele uitleg luidt: De hoeveelheid downforce die de vleugel produceert hangt af van de absolute invalshoek (AoA), zoals te zien is in de afbeelding. Hoe groter de AoA, hoe hoger de downforce tot een grens die we 'overtrek' of 'stall' noemen, waar de stroming zich scheidt. Voor een 3D-vleugel verandert deze overtrekhoek over de gehele spanwijdte, als gevolg van geometrische en aerodynamische details.

Dus als we willen proberen om de beamwing met behulp van het DRS uit te zetten, moeten we een mechanisme instellen waarmee we de AoA van de beamwing kunnen verhogen om hem in het overtrekgebied te duwen. De opening van de DRS doet precies dit, want door de vermindering van de upwash (te zien in de vorige afbeelding) is de relatieve AoA met DRS aan die de beamwing ondervindt hoger, en dus neemt de AoA over de hele spanwijdte toe.

Dit resulteert in een verhoogde belasting van de beamwing, die hem 'mogelijk' in een overtrek kan duwen. Normaal gesproken zou een beamwing met twee elementen dit vrij gemakkelijk aankunnen, maar een extreem opgezwollen beamwing met één element zou het wel eens kunnen opgeven, zoals te zien is in de simulatie.

De beamwing in onze simulatie is niet geoptimaliseerd voor de stroming, en we hebben hem opzettelijk naar een hoge AoA gedraaid. Het gemarkeerde groene gebied toont het aangehechte stromingsgebied van de beamwing met DRS aan/uit. Zoals te zien is, zijn er aanwijzingen dat dit mogelijk is met zorgvuldige ontwerpoverwegingen en enkele briljante aerodynamica.

De onderstaande afbeelding toont een uitsnede van een specifieke Y-sectie met stroomlijnen met DRS uit/aan. Nogmaals, als we naar het rood omcirkelde gebied kijken, zien we de toename van de hoeveelheid scheiding in het geval van DRS aan. Laten we ook duidelijk zijn over een ander punt, de vloer afremmen met dit mechanisme is een no-go. Zelfs als dit aerodynamisch mogelijk zou zijn, is er niets te winnen in termen van rondetijd, maar veel te verliezen in termen van achterwaartse stabiliteit als de auto de remzone nadert aan het einde van de DRS-sectie. De diffuser is erg gevoelig en heeft tijd nodig bij elke grote verandering van de stromingstoestand.

Conclusie

"Triple DRS" is gewoon een gerucht, meer een mediabegrip dan iets wat gebaseerd is op gezond verstand. Ook al is er een kleine mogelijkheid om met de DRS de liggende vleugel af te remmen, dan nog moet de liggende vleugel echt worden aanzwengeld - wat om te beginnen erg draggy is, en iets wat een aerodynamicus 'goedkope downforce' noemt, iets wat je in Monaco zou doen. In een race waarin je vooraan rijdt, maakt deze opstelling je ook trager in de racetijd als je de DRS niet kunt gebruiken.

Hoe komt het dan dat de Red Bulls zo snel zijn? Het echte antwoord is het vloerontwerp. Vorig jaar zagen we dat de vloer van de RB18 letterlijk een 'organisch ontwerp' was, een kunstwerk. Het vermoeden bestaat dat de vloer en diffuser zoveel efficiënte downforce produceren, ze minder draggy achtervleugels en beamwings kunnen gebruiken en daar zit het geheim.